基于遙感生態指數的黃山世界遺產地生態環境評價

吳 強， 王心源， 駱 磊

(1.中國科學院空天信息創新研究院， 北京 100094； 2.中國科學院大學，北京 100049； 3.聯合國教科文組織國際自然與文化遺產空間技術中心, 北京 100094)

生態環境是人類生存和發展的主要物質來源，它承受著人類活動產生的廢棄物和各種作用結果[1]。良好的生態環境是人類發展最重要的前提，同時也是人類賴以生存、社會得以安定的基本條件[1]。近年來，中國的生態環境問題日趨嚴峻，環境污染、水土流失、森林退化等問題日益明顯。如何有效提升生態環境質量，推動生態文明建設，生態環境監測無疑是至關重要的一步。

20世紀90年代以來，伴隨著3S技術的不斷發展，生態環境質量監測與評價取得了大量成果，評價理論、方法和技術手段不斷豐富和完善[2-3]。遙感技術因其觀測范圍廣，時效性強，全天時全天候觀測的特點，在生態環境監測中得到日益廣泛的應用。國內外已有很多學者運用遙感技術對生態環境質量進行監測與評價，遙感成為評價生態環境質量的重要手段之一[4-8]。2006年，國家環境保護部頒發了《生態環境狀況評價技術規范》，推出了主要基于遙感技術的生態環境狀況指數(ecological environment index， EI)，旨在為評價生態環境狀況提供國家標準。盡管該方法已得到大量的應用，但在應用過程中不可避免的出現一些問題，如應用范圍的限制、歸一化系數是否合理、指標是否易獲取等[9-10]。徐涵秋[11-12]則提出了一種完全基于遙感信息，以自然因子為主要驅動力的新型遙感生態指數(remote sensing ecological index， RSEI)。該指數耦合了綠度、濕度、干度和熱度4個指標，能夠較為全面的反映區域生態環境質量水平；該指標容易獲取，并且避免了人為確定權重系數導致的偏差，成為較為常用的評價區域生態環境質量的指數之一。

黃山于1990年列入世界自然和文化遺產名錄，又分別于2002年和2004年被列入中國國家地質公園和首批世界地質公園，成為同時擁有3項最高榮譽的旅游勝地。生態環境質量對于維持世界遺產地的“真實性”和“完整性”具有極其重要的價值。從20世紀90年代開始，國家和地方投入了大量的人力、物力和財力對黃山世界遺產地的生態環境進行重點保護。本文通過建立RSEI指數對黃山世界遺產地的生態環境質量進行動態分析和定量評價，旨在為黃山管理部門提供有關環境治理、發展規劃等相關決策的依據。

1 研究區概況

黃山世界遺產地位于安徽省黃山市內，地處太平、歙縣、休寧和黔縣4縣交界處，是長江和錢塘江水系在安徽的分水嶺。黃山不僅是著名的國家級風景名勝區，也是世界文化和自然雙重遺產地、世界地質公園和世界生物圈保護地3項桂冠的擁有者，具有極其重要的研究價值。按世界遺產地的劃分，遺產地分為核心區和緩沖區，本研究將二者合并作為研究區域，統稱為保護區，定量分析評價該區域內的生態環境質量。保護區地理位置位于北緯29°58′—30°17′，東經117°59′—118°22′，總面積約為651 km2。

2 數據與方法

2.1 數據來源及預處理

本文使用的影像數據為黃山世界遺產地1992年至2017年Landsat 5 TM和Landsat 8 OLI遙感影像，影像數據通過美國地質調查局、地理空間數據云等網站進行免費獲取。所獲取影像的成像時間均處于9—10月份，影像云量較少，質量較好。數據預處理主要包括輻射定標、大氣校正、幾何校正、影像配準等，配準的均方根誤差控制在0.5個像元內。

2.2 遙感生態指數模型

遙感生態指數(RSEI)是基于遙感技術，以自然因子為主要驅動因素對某一區域的生態狀況進行快速監測與評價的新型遙感生態指數。該指數耦合了綠度、濕度、干度和熱度4個指標，利用主成分分析法進行構建，可對某一地區的生態環境狀況進行定量評價。

(1) 綠度指標。歸一化植被指數(NDVI)是常用的植物生長狀態以及植被密度分布的最佳指示因子之一[13]，是反映植被長勢、覆蓋度及生物量的重要參數，故選用NDVI代表綠度指標，其表達式如下：

NDVI=(ρnir-ρred)/(ρnir+ρred)

(1)

式中：ρnir，ρred分別表示Landsat數據的近紅外波段和紅色波段。

(2) 濕度指標。區域濕度是反映生態環境狀況的一個重要參數，RSEI中的濕度指標由纓帽變換中的濕度分量進行表達，主要反映區域內植被和土壤的濕度。對于Landsat不同的傳感器，其表達式分別如下：

①TM數據：

Wet=0.031 5ρblue+0.202 1ρgreen+0.310 2ρred+0.159 4ρnir-0.680 6ρswir1-0.610 9ρswir2

(2)

②OLI數據：

Wet=0.151 1ρblue+0.197 3ρgreen+0.328 3ρred+0.340 7ρnir-0.711 7ρswir1-0.455 9ρswir2

(3)

式中：ρi為相應波段的光譜反射率。下同。

(3) 干度指標。土壤干化會給區域生態環境造成嚴重破壞，土壤干化越嚴重，其危害越大[13]。除土壤干化之外，區域建筑用地也會對生態環境造成一定破壞。因此干度指標(NDSI)可以采用裸土指數(SI)和建筑指數(IBI)的合成，其具體表達式如下：

NDSI=(SI+IBI)/2

(4)

SI=〔(ρswir1+ρred)-(ρnir+ρblue)〕/〔(ρswir1+ρred)+(ρnir+ρblue)〕

(5)

(6)

(4) 熱度指標。本文選取地表溫度來代表熱度指標，依據輻射傳輸方程反演地表溫度，其表達式如下：

Lλ=〔εP(Ts)+(1-ε)L↓〕τ+L↑

(7)

P(Ts)=〔Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓〕/τε

(8)

Ts=K2/ln〔K1/P(Ts)+1〕

(9)

式中：Lλ為熱紅外輻射亮度值；ε為地表比輻射率；Ts為地表真實溫度(K)；P(Ts)為黑體熱輻射亮度；τ為大氣在熱紅外波段的透過率；K1和K2為定標參數。L↑和L↓為大氣向上、下輻射亮度。其中τ，L↑和L↓均可根據遙感影像成像時間及中心經緯度信息在NASA網站查詢得到。

(5) 構建遙感生態指數。為將4個指標納入到同一體系下進行比較，將計算得到的4個指標分別進行標準化處理，將指標值約束在0～1范圍內，使之統一量綱，標準化公式如下：

NIi=(Ii-Imin)/(Imax-Imin)

(10)

式中：NIi為某一正規化后的指標值；Ii為該指標在像元i處的值；Imax為該指標的最大值；Imin為該指標的最小值。

采用主成分分析法對4個指標進行耦合，該方法可以避免人為對4個指標進行權重賦值，而是根據各個指標對第一主成分的貢獻率來確定其權重，因而能避免人為確定權重值而導致的偏差，使得RSEI指標更加具有客觀性。為使得輸出的主成分信息中，數值較大的值代表生態環境狀況較好，采用下式計算初始的RSEI0數值。

RSEI0=1-

PCA〔f(NDVI,WET,NDSI,LST)〕

(11)

式中：PCA為主成分分析，NDVI，WET，NDSI，LST分別代表綠度、濕度、干度、熱度。

同樣，利用公式(10)，對RSEI0進行標準化處理，得到最終的RSEI值。

RSEI=(RSEI0-RSEI0min)/(RSEI0max-RSEI0min)

(12)

式中：RSEI0min和RSEI0max分別表示計算得到的RSEI0的最小值和最大值；RSEI為最終的遙感生態指數值。

3 結果與分析

3.1 黃山世界遺產地RSEI數值變化分析

由表1可知，黃山世界遺產地的RSEI數值逐漸升高，其中2017年最高，達到了0.638，表明該年的生態環境質量最好。1992年RSEI值最低，為0.573，表明其生態環境質量相對較差。從1992年至2007年，生態環境改善較為明顯，RSEI值漲幅達7.2%，2007年至2017年漲幅相對較小，達到了3.9%。就整體而言，黃山世界遺產地的生態環境質量在逐漸變好，且前15 a的改善效果要稍優于后10 a的改善效果，其原因與近10 a來黃山風景區旅游業的迅速發展有關。

表1 1992-2017年黃山世界遺產地各年份4個指標和遙感生態指數RSEI均值變化

從4個子指標來看，綠度指標和濕度指標的PC1載荷值為正數，表明其對生態環境質量產生積極影響，干度指標與熱度指標的PC1載荷值為負數，表明其對生態環境質量產生消極影響，這與實際狀況相符。1992—2017年，綠度指標和濕度指標數值呈上升趨勢，其原因主要是自入選“世界遺產名錄”以來，地方政府投入大量資金用于生態環境保護，積極保護遺產地范圍內的綠色植被，并控制人為破壞，從而使得保護區內植被覆蓋穩中有升，促進了綠度和濕度指標數值的提升。溫度指標數值先升高后降低，而干度指標數值則先降低后升高，二者呈小幅度波動趨勢。

3.2 黃山世界遺產地生態環境質量時空差異分析

為了更準確反映保護區內生態環境質量的動態變化，將RSEI指標數值以0.2為級差劃分為5個等級，即0～0.2，0.2～0.4，0.4～0.6，0.6～0.8，0.8～1.0，分別對應差、較差、中、良、優5個生態環境等級(見封2附圖7)，并對各個生態環境級別分別統計其面積占比(見表2)，進一步計算生態等級面積變化轉移矩陣(見表3)。

表2 黃山世界遺產地1992-2017年生態等級和面積變化

由附圖7(見封2)可以直觀看出，1992—2017年黃山世界遺產地范圍內的生態環境狀況：①整體來看，保護區西北部、中部和東南部生態環境質量較好；保護區北部和東部部分區域，生態環境質量較差。②從局部來看，生態環境級別為差和較差的區域主要集中分布于保護區西部焦村鎮，北部耿城鎮、三口鎮和仙源鎮，東部譚家橋鎮和南部湯口鎮等城鎮分布區域，以及遺產地內省道S103和高速G205沿線區域，此外還包括核心風景區內的裸巖分布區。在近25 a的發展變化中，該類別區域面積明顯變小，轉化為更高的生態環境等級。生態環境級別為良和優的區域主要分布于保護區中部核心風景區、西北部松嶺和陽邊山周圍、東南部崗村以南部分區域，以及東部G3高速公路衢黃段以東大部分區域，且東南部等級為優的面積逐漸變大，生態環境質量提升較為明顯。結合遙感影像可知，植被覆蓋度提高是區域生態等級提升的主要原因，而城鎮化建設則是區域生態等級退化的主要影響因素。

結合表2可知，黃山世界遺產地范圍內，3期數據中RSEI等級為中和良的面積占比均達到了65%以上，占據主導地位，表明保護區內整體生態環境質量較好。RSEI等級為差和較差的區域，其面積占比逐年下降，從20.74%降至12.30%，降幅達到8.4%；而RSEI等級為良和優的面積比例則穩步上升，從53.33%提升至69.0 %，漲幅達到15.7%。統計結果表明，保護區內部分區域生態環境等級提升明顯，生態環境質量得到顯著改善。

依據表3的統計結果可知，從1992—2017近25 a來，保護區內RSEI等級為差和較差的土地中，有接近63.6%的土地轉變為RSEI等級更高的土地；RSEI等級為中、良、優的土地中，較好的保持了其生態環境質量水平，平均僅有約4.0%的土地其RSEI等級轉化為差和較差。總體而言，近25 a來，保護區內生態環境質量進一步變好。

%

表3 黃山世界遺產地生態等級面積轉移矩陣

為了較為直觀的體現保護區內生態環境質量的時空差異，將1992年和2017年的RSEI指數進行差值變化檢測(見封3附圖8)。結合實際情況，將差值檢測結果劃分為5個等級(-1.0～-0.2，-0.2～-0.05，-0.05～0.05，0.05～0.2，0.2～1)，分別對應顯著退化區、輕微退化區、穩定區、輕微改善區、顯著改善區[14]，綜合分析黃山世界遺產地生態環境狀況的時空變化。

由附圖8(見封3)可以看出，保護區內北部耿城鎮、三口鎮、仙源鎮，東部譚家橋鎮西南部，以及南部G205高速沿線、阮溪山周圍有部分區域呈現顯著退化狀，結合遙感影像得知，其原因主要與城鎮化建設、旅游開發有關。保護區內北部大部分區域，南部崗村周圍以及核心風景區東南部等區域，其生態環境質量呈顯著改善狀態，其原因主要與退耕還林、植樹造林等措施有關。黃山核心風景區內，絕大多數區域生態環境質量較好，保持相對穩定，個別區域有輕微退化，主要集中于旅游開發區、裸巖分布區域。整體來看，保護區內生態環境質量明顯改善。

4 結論與討論

本文基于遙感生態指數，對黃山世界遺產地保護區內生態環境質量進行了定量評價。結合GIS空間分析及統計方法，得出區域內生態環境質量的時空變化，研究成果對黃山世界遺產地的保護與可持續發展具有重要意義，能夠為遺產地的管理、發展規劃提供一定的參考。

(1) 在主成分分析中，綠度、濕度、干度、熱度載荷值較為接近，表明4個分量對該區域內生態環境質量均有一定程度的貢獻。且綠度和濕度對生態環境質量起積極作用，干度和熱度對生態環境質量起消極作用。

(2) 黃山世界遺產地保護區內RSEI指標數值均在0.5以上，生態環境質量整體較好。區域內生態環境質量較好的區域主要集中于中部核心風景區、西北部和東南部等植被覆蓋度較高的區域。生態環境較差區域則主要集中于北部和東部等城鎮分布區以及公路沿線部分區域。

(3) 黃山世界遺產地保護區內RSEI指數在1992—2017呈顯著上升趨勢，生態環境質量穩步提升。整體來看，區域內生態環境質量明顯改善，改善區域主要分布于保護區北部和南部山區，其原因主要與相關管理部門在黃山被列入世界遺產名錄后加大生態環境保護力度有關。從局部來看，存在生態環境退化的區域，其原因主要與城鎮化建設、旅游開發等因素有關。相關部門應進一步規范土地利用，繼續貫徹退耕還林措施。合理進行城鎮化建設，在生態承載力范圍內適度進行旅游開發，實現黃山世界遺產地的可持續發展。

自1990年黃山被列入世界遺產名錄以來，各級政府部門及相關管理單位投入了大量的人力、物力和財力對遺產地進行重點保護。本研究證明，保護舉措初見成效，保護區范圍內生態環境質量改善明顯。生態環境退化區域既包含城鎮化建設區域，也包括旅游開發區域，合理的城鎮化建設、適度的旅游開發，對保護區內的生態環境質量具有重要意義。但必須指出，保護下的發展不等于不發展，應始終貫徹可持續發展的理念，協調發展與保護的關系，科學的推進保護區生態文明建設。

遙感生態指數多運用于城市生態環境的定量評價，本研究將該指數引入世界遺產地。本文研究成果對于遺產地的生態環境質量評價具有一定的參考價值，可以嘗試在其它同類型案例地進行推廣應用。盡管遙感生態指數較為全面的選擇了4類影響生態環境的指示因子，且能夠較好的反映研究區的生態環境變化，但生態環境是一個復雜的綜合變量，全面的定量評價需依據研究區實際情況綜合選擇多種影響因子，這是研究其它案例地時需要注意的問題。